面向服务机器人的电量监控装置.pdf

本发明涉及一种面向服务机器人的电量监控装置，其包括主控模块、存储模块、电流采集模块、电压采集模块、电池输入接口、电池充电接口、电池输出接口、上下电控制模块，存储模块存储剩余电量，所述电压采集模块采集充电电压值，所述电流采集模块采集工作电流值；主控模块接收来自服务机器人控制器的第一指令以及第二指令；主控模块根据电流值基于安时法获取第一电量值，并根据电压值与剩余电量基于开路电压法对第一电量值进行校正，得到第二电量值。本发明采用安时法结合开路电压法的方式，解决了服务机器人由于负载经常变化而导致的电量监控困难，精度更高，对负载稳定的要求更低，可以满足变负载情况下的高精度电量监控。

权利要求书
1.  一种面向服务机器人的电量监控装置，所述电量监控装置与服务机器人控 制器进行数据交互，所述电量监控装置包括主控模块、存储模块、电流采集模 块、电压采集模块、电池输入接口、电池充电接口、电池输出接口、上下电控 制模块，其中，所述存储模块存储剩余电量，所述电压采集模块采集充电电压 值，所述电流采集模块采集工作电流值；所述主控模块接收来自所述服务机器 人控制器的第一指令以及第二指令；所述主控模块根据所述电流值基于安时法 获取第一电量值，并根据所述电压值与剩余电量基于开路电压法对第一电量值 进行校正，得到第二电量值；所述主控模块根据所述第一指令向服务机器人控 制器反馈第二电量值；所述上下电控制模块根据所述第二指令控制所述电量监 控装置上下电。

2.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 还包括温度检测模块以及报警模块，所述温度检测模块获取所述蓄电池的温度 值，当所述温度值超过所述主控模块预设阈值时，所述主控模块控制所述报警 模块报警。

3.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述电压采集模块包括隔离放大电路，所述电压采集模块将所述电池输入接口 输入的电压值进行隔离放大后传送至所述主控模块。

4.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述电流采集模块采集所述电池充电接口的充电电流值以及所述电池输出接口 的放电电流值。

5.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述主控模块还根据所述第一指令向所述服务机器人控制器反馈所述电流值、 电压值以及所述主控模块的IO状态信息。

6.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述主控模块采用TMS320F28035型芯片。

7.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述存储模块采用EEPROM存储器。

8.  根据权利要求7所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述存储模块采用AT25640AN型EEPROM存储器。

9.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述温度检测模块包括TMP35型温度传感器。

10.  根据权利要求1所述的面向服务机器人的电量监控装置，其特征在于， 所述主控模块通过CAN总线与所述服务机器人控制器进行数据交互。

说明书面向服务机器人的电量监控装置
【技术领域】
本发明涉及一种面向服务机器人的电量监控装置。
【背景技术】
在电量监控领域，一般采用电压监测法或电压电流参数辨识法。
单纯采用电压进行电池剩余电量监控时，由于工作电流的变化会造成工作 电压的波动，这给监测结果造成了较大的影响。单纯采用电压法虽然设计与实 现方法都比较简单，但监测效果普遍较差，精度较低。
采用电压电流参数辨识法时，根据电池放电时的电压、电流、电量曲线， 在线辨识出电压、电流稳定在一个数值时的电池电量。参数辨识法对电池供电 系统的供电稳定性要求较高，不能出现大的负载波动。参数辨识法在实现上也 较为困难，首先要测得电池的多组放电曲线，这一过程需要耗费大量的人力、 物力，其次要进行参数辨识的计算，实时检测算法的实现也较为困难。因此， 该方法在理论可以实现高精度的电量监测，但在实际使用时很难实现。
【发明内容】
本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种面向服务机器人的 电量监控装置。
本发明提出的面向服务机器人的电量监控装置用于与服务机器人控制器进 行数据交互，所述电量监控装置包括主控模块、存储模块、电流采集模块、电 压采集模块、电池输入接口、电池充电接口、电池输出接口、上下电控制模块， 其中，所述存储模块存储剩余电量，所述电压采集模块采集充电电压值，所述 电流采集模块采集工作电流值；所述主控模块接收来自所述服务机器人控制器 的第一指令以及第二指令；所述主控模块根据所述电流值基于安时法获取第一 电量值，并根据所述电压值与剩余电量基于开路电压法对第一电量值进行校正， 得到第二电量值；所述主控模块根据所述第一指令向服务机器人控制器反馈第 二电量值；所述上下电控制模块根据所述第二指令控制所述电量监控装置上下 电。
本发明提出的面向服务机器人的电量监控装置通过正常工作时采用安时 法，充满时采用开路电压法的方式，解决了服务机器人由于负载经常变化而导 致的电量监控困，精度更高，对负载稳定的要求更低，可以满足变负载情况下 的高精度电量监控。此外，相比与电压电流参数辨识法，本发明省去了拟合电 压、电流、电量曲线的繁琐步骤，节约了开发时间。省去了参数辨识的复杂算 法，降低了开发难度。
【附图说明】
图1为本发明一实施例的面向服务机器人的电量监控装置结构图。
图2为本发明一实施例的面向服务机器人的电量监控模块软件部分体系结 构图。
图3为本发明一实施例的采用开路电压法校正安时法计算电量值的方法流 程图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。下面详细描述本 发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的 标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图 描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对 本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、 “底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了 便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当 理解为对本发明的限制。
本发明提供一种面向服务机器人的电量监控装置，所述电量监控装置与服 务机器人控制器进行数据交互，所述电量监控装置包括主控模块、存储模块、 电流采集模块、电压采集模块、电池输入接口、电池充电接口、电池输出接口、 上下电控制模块，其中，所述存储模块存储剩余电量，所述电压采集模块采集 充电电压值，所述电流采集模块采集工作电流值；所述主控模块接收来自所述 服务机器人控制器的第一指令以及第二指令；所述主控模块根据所述电流值基 于安时法获取第一电量值，并根据所述电压值与剩余电量基于开路电压法对第 一电量值进行校正，得到第二电量值；所述主控模块根据所述第一指令向服务 机器人控制器反馈第二电量值；所述上下电控制模块根据所述第二指令控制所 述电量监控装置上下电。
本发明提供一种面向服务机器人的电量监控装置的实现可以分为：硬件、 软件、算法三部分。
如图1所示，本发明一实施例的面向服务机器人的电量监控装置10包括主 控模块100、存储模块200、电流采集模块300、电压采集模块400、电池输入 接口500、电池充电接口600、电池输出接口700、上下电控制模块800。
硬件方案可优选采用TI公司的TMS320F28035作为其主控器模块，整个电 量监控控制算法和各个模块的协调工作都在主控制器模块中完成。
存储模块200可优选采用外扩EEPROM模块，EEPROM存储器模块用于存 储控制参数，主控模块100通过SPI接口与EEPROM通信。EEPROM芯片可进 一步优选采用AT25640AN实现。二者通过EEPROM自身定义的通信协议进行 通信。EERPM中存储上次掉电时的剩余电量，电池总电量等信息。这些信息在 控制器再次上电后被读取，作为电量监控装置的初始参数。
电流采集模块300优选采用霍尔传感器与主控模块100上的AD接口连接 实现。霍尔传感器可优选采用Allegro公司的ACS712ELCTR-30A-T实现。
电压采集模块400优选采用隔离放大器与主控模块100上的AD接口上的 AD接口连接实现。隔离放大器可优选采用AVAGO公司的ACPL-C78A实现。
电池输入接口500是主控模块100板卡与蓄电池30的接口，也是板卡与外 部的唯一接口，其保证蓄电电池充放的所有电量都能够被板卡监测。
电池充电接口600与外界充电电源连接。充入蓄电池的电量只能通过电量 监控装置进入蓄电池，保证了充电时电量监测准确。
电池输出接口700用于连接外接服务机器人用电设备，为用电设备供电。 蓄电池输出到用电设备的电量都要经过电量监控装置输出，保证了放电时的电 量检测准确。
主控模块100与服务机器人控制器20通信通过CAN总线实现数据交互， 以完成电量监测装置与服务机器人控制器20之间的通信。服务机器人控制器20 向电量监测装置发送上下电、查询电压、电流、电量信息等命令。电量监测装 置向服务机器人控制器20发送系统状态、电压值、电流值、电量信息、IO状态 等信息。
上下电控制模块800用于控制系统动力电的上下电控制，通过CAN接口获 得上、下电命令后完成上、下电操作。当电量监控装置接收到服务机器人控制 器20的上下电命令后，通过改变主控模块100的输出GPIO状态，进而改变 MOSFET的状态，控制系统上下电状态。MOSFET可优选采用VISHAY公司的 SUP90P06-09L。
电量监控装置10还优选包括温度检测模块40，电量监控装置能够实时检测 电池温度，温度过高时报警。温度检测模块40可优选采用AD公司的TMP35 温度传感器，通过模拟量信号与控制器通信，完成温度的采集工作。
本发明提出电量监控模块软件部分体系结构图如图2所示，主控模块100 软件部分采用基于嵌入式实时操作系统的方式实现，可以分为驱动层、硬件中 断层和任务层。
驱动层包括IO驱动、AD驱动、CAN驱动、SPI驱动。驱动层直接与硬件 相连，通过配置TMS320F28035的底层驱动器实现。
硬件中断由片上定时器触发，采用1ms周期触发方式实现。该中断作为整 个装置的时间标志，定时触发其他模块完成相应工作。1ms触发Task0完成电量 监控任务，1s触发CAN发送任务完成电量信息的上传，10s触发E2PORM任务 存储电池的剩余电量信息。
任务层分为电量监控板命令处理任务Task0、CAN发送任务Task1、E2PROM 操作任务Task2。按照任务执行紧急程度，将任务优先级由高到低分别为Task0、 Task1、Task2。Task0完成定时AD采集、计算剩余电量、CAN命令处理工作， Task1完成CAN发送任务，Task2完成对于E2PROM的操作任务。由于对 E2PROM的操作耗时较长，因此将Task2的优先级设置为最低，在其他任务空 闲时执行。
本发明提出电量监控模块算法部分算法实现采用安时法与开路电压法相结 合的方式实现。安时法在理论上可以实现完全准确的电池剩余电量检测，但由 于受采样精度的影响，其累计误差会随着时间的延长逐步加大，因此采用开路 电压法对安时法进行校正，从而得到校正后精准的电量值。具体地，可以通过 检测电池的充电电压，完成对于电池充满状态的判断，从而校正电池电量。
算法部分的实现过程如图3所示，下面详细说明实现过程：1、上电后先从 E2PROM中读取上次掉电时的剩余电量；2、以1ms的周期进行电流积分计算； 3、判断是否为充电状态并且已经充满。若充满，进行剩余电量的校正，并返回 重新进行1ms的电流积分。若未充满，继续向下执行；4、判断是否10S定时时 间到。若到则将剩余电量值存入E2PROM模块。若未到则继续执行；5、判断 是否需要掉电。若不需要掉电，则继续执行1ms电流积分循环。若需要掉电， 则将剩余电量存入E2PROM中。
如上所述，电量监控装置通过正常工作时采用安时法，充满时采用开路电 压法的方式，解决了服务机器人由于负载经常变化而导致的电量监控困。相比 与单纯的电压监控方法，本发明由于采用安时法，精度更高，对负载稳定的要 求更低，可以满足变负载情况下的高精度电量监控。此外，相比与电压电流参 数辨识法，本发明省去了拟合电压、电流、电量曲线的繁琐步骤，节约了开发 时间。省去了参数辨识的复杂算法，降低了开发难度。
虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应 能理解，上述较佳实施方式仅用来解释和说明本发明的技术方案，而并非用来 限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修 饰、等效替换、变形、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。